Главная » Хабрахабр » Почему «Юному технику» не удастся построить лазер

Почему «Юному технику» не удастся построить лазер

Приветствую всех снова. В комментариях к моей первой статье про cамодельную лазерную установку снова вспомнили статью из журнала «Юный техник», которая называлась «Строим лазер». В ней предложено поэтапное описание сборки импульсного лазера, работающего на жидком растворе органического красителя. Текст статьи доступен через 2 минуты гугления.

Почему так? Несмотря на это, ни мне, ни моим коллегам неизвестны прецеденты постройки лазера на красителях, руководствуясь этой статьей. Как устроены промышленно выпускаемые лазеры на красителях? Какие есть скрытые подводные камни в лазерах на красителях? Давайте разберемся.

Поскольку в нем не нужны дефицитные и труднодоставаемые кристаллы или стекла, или сложные стеклодувные работы как для изготовления активных элементов газовых лазеров. image
Лазер на красителе очень привлекателен для самостоятельного изготовления. Его излучение обладает очень ценным свойством – его можно разложить в спектр и выделить желаемый цвет луча. Он потребляет совсем мало энергии и выдает яркое излучение видимого диапазона.

Это адаптация статьи, опубликованной в колонке «The amateur scientist» американского журнала “Scientific American” в февральском номере 1970 года. Для начала надо отметить что статья из «ЮТ» №8 1971 года, которая была потом перевыпущена в №11 1992 года – не является оригинальной. Для начала глянем на объем обеих статей. И все было бы хорошо (может быть!) если бы эта адаптация не была выполнена с недопустимыми сокращениями и досадными ошибками. Картинки скопированы практически 1 в 1. Оригинальная статья занимала 6 страниц, адаптированная в «ЮТ» — лишь 3 страницы. Либо уже с файлообменника. Оригинальную американскую статью можно скачать отсюда, угнав её у злобных копирастов через sci-hub.

Сравним сходство картинок в оригинальной и адаптированной статьях.

Оригинал:

image

image

image

А теперь посмотрим на картинки из ЮТ:

image

image

Для примера, сравним электрические схемы, приведенные в оригинальной и адаптированной статьях. На этом сходства в картинках заканчиваются и начинаются различия.

Оригинал:

image

Адаптация:

image

Однако, в оригинальной схеме предлагают добавить цепь предионизации для лампы, которая в адаптированной была опущена. Как можно видеть, схема адаптирована с учетом наших реалий в смысле элементной базы и напряжения сети. И судя по выходному напряжению, имелась в виду обмотка питания ЭЛТ этого самого осциллографа. Также в качестве силового трансформатора в оригинальной схеме предлагается силовой высоковольтный трансформатор от осциллографа. Поэтому он обозвал силовой трансформатор в адаптированной схеме как «ТВС», аналогично трансформатору строчной развертки. Человек, переводивший статью, скорее всего, понял все правильно, но в порыве адаптации к нашим реалиям вспомнил, вероятно, о телевизорах (телевизор разобрать на помойке по-любому проще, чем осциллограф), где ЭЛТ питается от высоковольтной обмотки трансформатора строчной развертки. И это очень досадные ошибки, которое сводят вероятность успешной работы лазера к нулю. Как известно, типичный ТВС намотан на ферритовом сердечнике и не может работать на частоте 50 Гц. Предложенная цепь предионизации в оригинальной статье позволяет ускорить развитие разряда в лампе и сократить длительность вспышки. Дело в том, что для лазера на красителях очень критична длительность вспышки, которая лежит в микросекундном диапазоне. Более того, в оригинальной статье написано, что накопительный конденсатор должен обладать малой паразитной индуктивностью. А ещё желательно делать по возможности плотный монтаж конструкции, с максимально короткими проводниками. И прямо уточнили, что обыкновенные конденсаторы не подойдут – с ними лазер не заработает. Точнее «должен быть предназначен для разрядов малой длительности». Давайте сравним текст оригинала и адаптации. В адаптированной статье о столь малозначительной вещи решили не упоминать. Красным выделено требование малоиндуктивного конденсатора.

image

А раз промолчали, значит можно бежать за первыми попавшимися электролитами, применение которых сделает работу лазера невозможным. В адаптированной статье про малоиндуктивный конденсатор промолчали.

image

Если конечно он не подкован в лазерной технике. Уже только этого достаточно, чтобы попытка «слепого» повторения описанного в статье из «ЮТ» окончилась полнейшим крахом, поскольку необходимость именно в малоиндуктивном конденсаторе совершенно неочевидна ни неподготовленному «повторяльщику», ни даже обыкновенному преподавателю технического кружка. Про ТВС я уже молчу, правильнее было бы рекомендовать хотя бы «силовой трансформатор от осциллографа».

Также я отмечу, что в оригинальной статье есть дополнение о том как сделать приспособление из дифракционной решетки для перестройки длины волны лазера, о котором в адаптированной статье также умолчали.

Для начала нужно читать специализированную литературу. Что же делать, если все же захотелось построить лазер на красителях самому? К счастью альтернативы статье из «ЮТ» уже есть. А ещё лучше – иностранные первоисточники. Наиболее подробное и тщательное описание есть на сайте достаточно известного самодельщика Yun Sothory.

Материал представляет из себя компляцию выжимок из специализированных статей и его обширного личного опыта, поэтому, можно смело пользоваться.

Для начала заглянем внутрь импульсного лазера ЛОС-4М, в некоторых источниках называемого «Радуга». А теперь я предлагаю заглянуть внутрь уже «настоящих», производимых серийно лазеров на красителях.

image

Добавление селективного элемента (дифракционной решетки) в оптический резонатор снижает выходную энергию, но позволяет настраивать длину волны излучения.
Возможность селекции длины волны излучения – наиболее ценное свойство лазеров на красителях и она может осуществляться разными способами. Это лазер с ламповой накачкой с заявленной выходной энергией в 1 Дж без селекции длины волны. Во втором случае достигается более узкая линия излучения. Можно дифракционную решетку или призму ставить за выходным зеркалом резонатора, можно устанавливать внутрь резонатора. Помимо решетки или призмы, принцип работы которых очевиден используют ещё поляризационные фильтры, о которых ниже.

Снаружи эта трубка окружена ещё одной, по которой протекает раствор фильтра, предназначенный для отсечки коротковолнового УФ от ламп накачки, который быстро разрушает краситель. Как можно видеть, устройство излучателя практически идентично классическому твердотельному лазеру, только вместо стержня из лазерного кристалла или стекла – трубка, по которой протекает раствор красителя. Резонатор образован глухим зеркалом, спрятанным в торце квантрона и полупрозрачным на расстоянии от него. Накачка осуществляется двумя лампами ИФП-1200.

image

По шлангам подводятся растворы красителя и фильтра. Между квантроном и выходным зеркалом находится держатель для дифракционной решетки, положение которого может настраиваться микрометрическим винтом. С блоком питания излучатель соединяется коаксиальными кабелями, которые имеют низкие паразитные параметры.

image

Заглянем теперь в блок питания.

image

image

Дело в том, что батарея конденсаторов заряжается до напряжения, которое заведомо превышает напряжение самопробоя ламп ИФП-1200. На переднем плане в глаза бросается игнитронный разрядник ИРТ-2. Его достоинства в том, что он способен коммутировать большую энергию за один импульс, обладает малыми паразитными параметрами, имеет очень большой срок службы и не требует никакого обслуживания, в отличие от традиционных искровых разрядников, которые требуют периодической подстройки искрового зазора и чистки контактов. Чтобы лазер работал в управляемом режиме и стрелял когда нужно нам, а не когда ему вздумается, то тут использован управляющий элемент в виде этого разрядника. На большой пластине слева от трансформатора размещена вспомогательная электроника для управления игнитронным разрядником и процессом заряда конденсаторов. Справа в углу размещен высоковольтный трансформатор с выпрямителем и балластными сопротивлениями для зарядки конденсаторов. Конденсаторы находятся под ней.

image

Конденсаторы малоиндуктивной серии к75-30. На каждую лампу накачки приходится по 6 конденсаторов, емкость каждого по 2 мкФ, напряжение 5 кВ. Как можно видеть, емкость, использованная в серийном лазере довольно близка к указанной в статьях для самостоятельного повторения. В сумме получается по 12 мкФ 5 кВ на каждую лампу.

Блок питания достался мне без них, поэтому придется использовать внешний блок циркуляции. Там где в блоке питания свободное место, размещались емкости с красителем и фильтром и насосы для их циркуляции. Через спираль пропускается вода для охлаждения красителя, поскольку при повышении температуры он разрушается. Он состоит из насоса, работающего на низком постоянном напряжении (27В) и кварцевого бачка с впаянной в него спиралью.

image

image

Стоит отметить, что есть лазеры на красителях, которые используют лазерную накачку – от другого импульсного лазера видимого или ультрафиолетового диапазона. Поскольку я пока занят другими проектами, то восстановление рабочего состояния этого лазера пока что только в планах, а сам аппарат пока отложен «в долгий ящик». Кроме этого, были опытные экземпляры лазеров у которых вместо раствора красителя использовался пластмассовый активный элемент окрашенный соответствующим органическим соединением. В настоящий момент они наиболее распространены. Они используют накачку импульсным лазером, но срок службы АЭ довольно ограничен, поэтому такие лазеры распространения не получили.

В отдельных случаях применяют уже описанный мной лазер на парах меди. Для накачки ЛРК используются азотный лазер с длиной волны 337 нм (УФ) или эксимерный (длина волны и энергия зависит от выбранной газовой смеси), или импульсный неодимовый с удвоением частоты (532 нм) или же с утроением (355 нм) а то и учетверением (266 нм) частоты. Но если нужна большая (до десятков-сотен джоулей) энергия генерации, то альтернативы ламповой накачке пока что нет. В этих случаях сам лазер на красителях является «пассивным» устройством не требующим электропитания, кроме как для насоса циркуляции красителя.

И тут тоже был найден выход из положения. Проведя обзор классического импульсного лазера на красителях можно задаться вопросом, а что делать, если нужно излучение свойственное лазеру на красителях, с присущей ему возможностью перестройки длины волны, но при этом непрерывного режима? Рассмотрим его на примере лазера американской фирмы Coherent.

image

Внутри этого лазера находится сложная оптическая система, состоящая из оптики «доставки» луча накачки и оптического резонатора с поляризационным селектором длины волны.

image

Плотность энергии накачки нужна очень высокая, а чтобы краситель не перегревался, нужна быстротекущая струя. Если луч лазера накачки фокусировать внутри тонкой и быстротекущей ламинарной струи раствора красителя, то можно добиться генерации в непрерывном режиме. Аргоновый лазер лучше всего подходит для накачки красителей из группы родаминов, исходный его луч очень тонкий и легко фокусируется в тончайшее пятно. В качестве источника накачки чаще всего используется мощный аргоновый лазер, луч которого фокусируется селективным вогнутым зеркалом внутрь струи. Струя же формируется соплом из сплющенной нержавеющей трубки.

image

На эту фотографию не влезли поляризационный селектор длины волны и третье, выходное зеркало резонатора.

От луча накачки струя сияет спонтанным излучением, и то излучение, которое оказалось между настроенных зеркал резонатора, усиливается и превращается в лазерный луч. Для получения ламинарного течения нужен раствор красителя в этиленгликоле заданной температуры и вязкости, а для прокачки используется специальный насос. Работает он так. Внутри резонатора установлен поляризационный селектор длины волны, состоящий из стопы кварцевых пластинок. У лазерного излучения разных длин волн угол поляризации разный, следовательно, и неодинаковые потери в фильтре. Лазерный луч в резонаторе поляризован, а фильтр установлен под определенным углом, пропускающим определенный угол поляризации. Меняется угол положения фильтра – меняется длина волны излучения. Таким образом, та длина волны, у которой угол поляризации идеально пролазит через фильтр, получает наибольшее усиление, а остальные подавляются.

image

Выходная мощность излучения достигает 4 Вт при 12 Вт накачки. Наибольшая эффективность работы достигается при использовании раствора родамина-6Ж. К сожалению, этот лазер у меня будет лежать на полочке, так как у меня нет ни штатной системы прокачки раствора, ни мощного аргонового лазера у меня нет, хотя я давно его ищу.

Тут я визуализировал путь луча накачки с помощью маленького аргонового лазера, раствор в сопло не подавался.

image

Не повторяйте ошибок описанных в статье из детского журнала. Такой вот получился небольшой обзор наиболее распространенных лазеров на красителях и тех важных моментов, которые нужно помнить при попытке постройки такого лазера самостоятельно.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Два успеха частной космонавтики

На прошлой неделе произошло два достаточно важных события для частной космонавтики. Прежде всего, два пилота Virgin Galactic могут сверлить дырки в своих костюмах под значки астронавтов — поднявшийся 13 декабря до 82,7 км SpaceShipTwo оказался выше линии 50 миль, которая ...

Дайджест свежих материалов из мира фронтенда за последнюю неделю №343 (10 — 16 декабря 2018)

Предлагаем вашему вниманию подборку с ссылками на новые материалы из области фронтенда и около него.     Медиа    |    Веб-разработка    |    CSS    |    Javascript    |    Браузеры Медиа • Подкаст «Frontend Weekend» #83 – Илья Климов о том, как и зачем был создан образовательный проект JavaScript.Ninja• Девшахта #61: TypeScript и его ...